硼不銹鋼乏燃料貯存格架的制造技術(shù)

(西安核設(shè)備有限公司，陜西 西安 710021)

乏燃料貯存格架是壓水堆核電廠中燃料操作與貯存系統(tǒng)的重要設(shè)備，安裝于燃料廠房?jī)?nèi)。其主要功能是保存從反應(yīng)堆內(nèi)取出經(jīng)過(guò)輻照的乏燃料組件，使乏燃料組件在貯存水池中貯存一段時(shí)間衰變冷卻后轉(zhuǎn)運(yùn)至后處理廠，以保證乏燃料組件在貯存期間不會(huì)達(dá)到臨界狀態(tài)，且有利于乏燃料組件在水池中冷卻，從而實(shí)現(xiàn)安全高效地貯存和轉(zhuǎn)運(yùn)從反應(yīng)堆卸出的乏燃料組件，為保證核電廠的正常運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用[1]。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

硼不銹鋼乏燃料貯存格架由西安核設(shè)備有限公司承制的重點(diǎn)核電設(shè)備，設(shè)備主要有套管、導(dǎo)向筒、底板、調(diào)整支腿、外圍板、縱向隔板及橫向隔板等關(guān)鍵部件組成。產(chǎn)品總外形1 690 mm×1690 mm×4430 mm，如圖1所示，貯存對(duì)象：燃料組件，規(guī)格：214 mm×214 mm×4 107.4 mm、貯存36個(gè)單元數(shù)量、支腿數(shù)量16個(gè)。設(shè)備技術(shù)特征如表1所示。設(shè)備技術(shù)要求高，垂直度和水平度要求≤1mm,對(duì)制造加工更是難點(diǎn)。借鑒以往制造核電項(xiàng)目中含硼高密度乏燃料貯存格架、雙層不銹鋼乏燃料貯存格架的制造經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)制造加工過(guò)程質(zhì)量全面控制，保證設(shè)備各項(xiàng)檢查、試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)符合要求。

圖1 格架Fig.1 Lattice frame

類(lèi)別等級(jí)安全等級(jí)LS規(guī)范等級(jí)NA抗震類(lèi)別Ⅱ類(lèi)清潔度等級(jí)A22級(jí)質(zhì)保等級(jí)QA2級(jí)

2 材料控制

設(shè)備主體材料為022Cr19Ni10，標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 3280—2007，用于外圍板、橫縱向隔板等件的制造。它是含碳量較低的通用不銹鋼材料，易于焊接。較低的碳含量使得靠近焊縫的熱影響區(qū)中所析出碳化物減少，而碳化物的析出可能導(dǎo)致不銹鋼在某些環(huán)境中產(chǎn)生晶間腐蝕。所以材料不僅滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，還必須進(jìn)行固溶處理、酸洗鈍化后供貨；材料力學(xué)性能中屈服強(qiáng)度Rp0.2≥230 MPa、抗拉強(qiáng)度Rm≥500 MPa、延伸率A≥40%，硬度HB≤201，無(wú)晶間腐蝕現(xiàn)象。所有板材的表面質(zhì)量平坦、均勻，不允許有翹曲、氣孔、劃傷、裂紋、夾雜等有害缺陷。經(jīng)酸洗的鋼材表面不允許有氧化皮和過(guò)酸洗現(xiàn)象，與燃料組件接觸的鋼板表面粗糙度Ra不大于3.2 μm，其他表面粗糙度Ra不大于6.3 μm。

用于中子吸收構(gòu)件為硼不銹鋼材料：304B7，標(biāo)準(zhǔn)為專(zhuān)用材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在不銹鋼加入硼元素可以改善使材料耐磨性和吸收中子的能力,廣泛應(yīng)用與核燃料接觸的設(shè)備制造中。

經(jīng)復(fù)驗(yàn)材料的化學(xué)成分和物理性能均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，用于設(shè)備的加工制造。

3 制造工藝

3.1 零件表面質(zhì)量和尺寸的有效控制

格架外圍板(L=4 275 mm,δ=2 mm)、橫縱向隔板(L=4 268 mm,δ=2 mm)、中子吸收構(gòu)件(L=3 800 mm,δ=2.5 mm)，外形長(zhǎng)而壁又薄，尺寸要求較嚴(yán)格。為此，從源頭嚴(yán)格把控，按各板料及中子吸收構(gòu)件尺寸及數(shù)量進(jìn)行排版，按技術(shù)要求對(duì)板料平坦均勻、表面粗糙度等進(jìn)行控制。格架板面開(kāi)孔較多，尺寸精度要求高，工藝采用激光切割的方法進(jìn)行加工，以保證各孔尺寸達(dá)到精度要求。對(duì)板料進(jìn)行雙面貼膜，以保證表面出現(xiàn)任何劃傷、碰傷等缺陷。

3.2 底板組件的加工

圖2 底板組件Fig.2 Baseplate assembly

1)因底板單件厚度僅有6 mm余量，因此先機(jī)加工底板一面，大面見(jiàn)光即可； 以已加工的底板面找正，加工底板四周留量及精加工固定座預(yù)開(kāi)孔。

2)組焊固定座，組焊時(shí)采用小電流，并對(duì)稱施焊，減小焊接變形。焊后焊縫100% PT檢查。

3)在C5250立車(chē)采用壓板壓緊方式，以底板已加工的下平面找正，進(jìn)行上平面加工，保證底板上平面度為0.25 mm。

4)在數(shù)控銑鏜床上，正確設(shè)置定位基準(zhǔn)，選用絕對(duì)位置坐標(biāo)，銑削加工底板四周，保證周邊對(duì)邊平行度0.05 mm、與鄰邊垂直度0.05 mm；再以周邊的水平和垂直基準(zhǔn)找正，選用鋸片刀以周邊基準(zhǔn)確定槽位加工隔板槽。

加工后經(jīng)過(guò)檢測(cè)，完全符合工藝和圖紙要求，為格架板的高精度組裝提供了組對(duì)基準(zhǔn)，為產(chǎn)品的順利制造奠定了基礎(chǔ)。

3.3 整機(jī)垂直度和水平度≤±1 mm

1)嚴(yán)格控制各零部件的外形尺寸和形位尺寸；

2)借助高精度的電子經(jīng)緯儀對(duì)底板及上板面水平度進(jìn)行找正，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓及壓板將整個(gè)底板水平度控制在0.15 mm內(nèi)；

3)由于不銹鋼材料焊接變形量大且焊接位置特殊，通過(guò)外圍板整體長(zhǎng)度留量約50 mm、焊后矯形、震動(dòng)時(shí)效處理等方法控制焊接變形；

4)采取高精度電子經(jīng)緯儀對(duì)每一塊隔板和每一個(gè)套管從橫、縱兩個(gè)方向去測(cè)量其組焊前后垂直度，以保證整機(jī)垂直度和水平度≤±1 mm。

3.4 產(chǎn)品清潔度

由于貯存格架外形尺寸大，清潔度要求高，所以清潔又是質(zhì)量控制的又一難點(diǎn)[2]。為滿足清潔度A22級(jí)要求，我們從源頭把控，板料雙面貼膜保護(hù)，設(shè)置專(zhuān)用工作場(chǎng)地，工作人員工作過(guò)程中穿戴干凈手套和腳套，嚴(yán)格清理每一個(gè)零部件，采用淡酸+去離子水的清洗方案。具體為：用淡酸進(jìn)行擦洗(考慮到酸液可能會(huì)存留在板面上，在后期形成腐蝕)，然后再用去離子水對(duì)板面進(jìn)行擦洗，從而保證清潔度要求。

4 焊接工藝

設(shè)備焊接的關(guān)鍵部件為套筒組件、導(dǎo)向筒。圖紙中橫向隔板、縱向隔板、外圍板板厚只有2 mm，焊縫熔深不低于1.5 mm，通過(guò)焊接工藝評(píng)定及結(jié)構(gòu)性焊接試驗(yàn)驗(yàn)證，掌握了這種外形長(zhǎng)而壁又薄材料的焊接性能[4]。對(duì)原始圖紙中多處坡口進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)省材料，便于操作提高工作效率。

4.1 套筒組件焊接

4.1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原套筒組件中L形支承板之間的焊縫要求焊透，操作不便，容易造成焊接缺陷，如圖3L形支承板優(yōu)化前結(jié)構(gòu)。根據(jù)公司以往制造經(jīng)驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定，修改為一端坡口，如圖4所示，L形支承板優(yōu)化后結(jié)構(gòu)。

圖3 L形支承板優(yōu)化前結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of the L-shape supportplate before optimization

圖4 L形支承板優(yōu)化后結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of the L-shape supportplate after optimization

4.1.2 焊接過(guò)程

材料規(guī)格厚度4 mm，焊前清理干凈坡口表面的油和污物，焊接位置橫焊，層間溫度 ≤100 ℃，鎢極和直徑φ2～3 mm，噴嘴直徑：10～15 mm，保護(hù)氣成分99.99%Ar，氣流量正面：10～15 L/min,反面：10～15 L/min。焊接技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 焊接技術(shù)參數(shù)

4.2 導(dǎo)向筒焊接

4.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

部件下段方管原圖紙要求采用以內(nèi)徑為基準(zhǔn)的無(wú)縫方管222 mm×222 mm×2 mm、L=400 mm加工成形，零件如圖5所示。由于規(guī)格特殊、要求高、使用量較少等原因造成無(wú)法采購(gòu)，根據(jù)零件特點(diǎn)和以往制造經(jīng)驗(yàn)，采用兩塊鋼板壓制成L形后拼焊，焊縫要求全焊透，內(nèi)表面拋光處理，并進(jìn)行100%液體滲透檢測(cè)，達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙規(guī)格尺寸要求，見(jiàn)圖6。

圖5 導(dǎo)向筒優(yōu)化前結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of the guide tubebefore optimization

圖6 導(dǎo)向筒優(yōu)化后結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of the guidetube after optimization

4.2.2 焊接過(guò)程控制

材料規(guī)格厚度2 mm，焊前清理干凈坡口表面的油和污物，焊接位置平焊，層間溫度 ≤100 ℃，鎢極和直徑φ2～3 mm，噴嘴直徑：10～15 mm，保護(hù)氣成分99.99%Ar，氣流量正面：10～15 L/min,負(fù)面：10～15 L/min,電流電壓相對(duì)較小，焊接技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 焊接技術(shù)參數(shù)

5 驗(yàn)收檢驗(yàn)

硼不銹鋼乏燃料格架制造完畢后要對(duì)其進(jìn)行外觀尺寸和功能性試驗(yàn)[3]，檢驗(yàn)主要項(xiàng)目包括：貯存小室之間柵距和公差檢查、貯存小室截面通過(guò)性檢查、貯存小室粗糙度檢查，應(yīng)不大于Ra3.2μm、導(dǎo)向筒水平方向過(guò)渡圓角的半徑R≤3 mm、貯存小室垂直度檢查、貯存小室內(nèi)腔窺鏡檢查、清潔度檢查等關(guān)鍵性檢查和試驗(yàn)。經(jīng)檢測(cè)，全部合格。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)設(shè)備材料制造工藝、焊接工藝、驗(yàn)收檢驗(yàn)等關(guān)鍵工藝過(guò)程規(guī)范有效的控制，借鑒同類(lèi)設(shè)備加工制造經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化多處焊接結(jié)構(gòu)，不僅節(jié)約原材料，而且提高的工作效率。最終，各項(xiàng)尺寸及功能性試驗(yàn)一次檢驗(yàn)合格并通過(guò)驗(yàn)收，硼不銹鋼燃料貯存格架的成功制造,為后續(xù)的福清核電項(xiàng)目、紅沿河核電項(xiàng)目、田灣核電等多個(gè)項(xiàng)目奠定良好的制造基礎(chǔ)，為設(shè)備國(guó)產(chǎn)化以及批量化積累了豐富的制造工藝技術(shù)及制造經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也為公司在核電設(shè)備制造領(lǐng)域的經(jīng)營(yíng)和發(fā)展贏得良好的聲譽(yù)和地位。